Teollisuuden sähkösaattolämmitysjärjestelmän kehittäminen elinkaarikustannusten näkökulmasta

LUT School of Energy Systems Sähkötekniikan koulutusohjelma

Diplomityö Santeri Vuorio

TEOLLISUUDEN SÄHKÖSAATTOLÄMMITYSJÄRJESTELMÄN KEHITTÄMINEN ELINKAARIKUSTANNUSTEN NÄKÖKULMASTA

Diplomityö

Tarkastajat: Apulaisprofessori Jukka Lassila Professori Samuli Honkapuro

Ohjaaja: DI Toni Piirainen

TIIVISTELMÄ

Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto LUT School of Energy Systems

Sähkötekniikan koulutusohjelma

Santeri Vuorio

Teollisuuden sähkösaattolämmitysjärjestelmän kehittäminen elinkaarikustannusten näkökulmasta

Diplomityö 2022

153 sivua, 76 kuvaa, 23 taulukkoa ja 5 liitettä

Tarkastajat: Apulaisprofessori Jukka Lassila ja Professori Samuli Honkapuro

Hakusanat: sähkösaattolämmitys, sähkösaatto, sähkölämmitys, elinkaarikustannus, elinkaari Diplomityössä tarkastellaan teollisuuden sähkösaattolämmitysjärjestelmän

elinkaarikustannusten muodostumista ja niiden laskentaa sekä tutkitaan keinoja

elinkaarikustannusten minimoimiseksi. Selvitettäessä investointien tai olemassa olevien järjestelmien kokonaiskustannuksia tarvitaan elinkaarikustannusajattelua. Ilman huolellista taustatutkimusta tehdyt investoinnit voivat pitkällä aikavälillä muodostua oletettua

kalliimmiksi. Kansainvälisen kilpailun, lopputuotteiden korkeiden laatuvaatimusten kasvaessa ja päästörajoitusten tiukentuessa teollisuus jatkaa sähköistymistään ja

sähkösaattolämmityksen elinkaarikustannusten painoarvo, ja energiankulutuksen hallinta ovat nousemassa entistä ajankohtaisemmiksi aiheiksi.

Diplomityö ja tutkimus taustoitettiin hyödyntämällä kirjallisuutta, tieteellisiä artikkeleja ja verkkodokumentteja, joiden avulla työlle luotiin teoreettinen tausta. Kirjallisia lähteitä tuettiin asiantuntijoille suunnatuilla kyselytutkimuksilla. Työn teoriaosuudella ja kyselytutkimuksilla luotiin pohja elinkaarikustannuslaskennan suorittamiselle. Tutkimustuloksena ei löytynyt yhtä oikeaa tapaa elinkaarikustannusten minimoimiseksi vaan lukuisa määrä erilaisia

mahdollisuuksia, joista suurimman säästöpotentiaalin omaavat on poimittu tähän työhön.

Suurin säästöpotentiaali on saavutettavissa muun muassa erilaisilla suunnittelufilosofioilla ja optimoinnilla, puolijohdetehonsäätimien avulla, mekaanisen asennustyön laadun

varmistamisella sekä pitkän aikavälin kehittämissuunnitelmalla. Paras lopputulos on saavutettavissa näiden yhdistelmällä ja lukuisilla muilla tavoilla tutkimusorientoitunutta työskentelytapaa hyödyntäen.

ABSTRACT

Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT School of Engineering Science

Degree Programme in Electrical Engineering

Santeri Vuorio

Development of an industrial electrical heat tracing system in lifecycle costs framework Master’s Thesis

2022

153 pages, 76 figures, 23 tables and 5 appendices

Examiners: Associate professor Jukka Lassila and Professor Samuli Honkapuro

Keywords: electrical heat trace, electric trace heating, EHT, life cycle costing, life cycle costs This Master’s Thesis focuses on industrial electrical heat tracing systems life cycle costs; how they are formed; how they can be calculated, and which are the methods and technical decisions to minimize life cycle costs. When figuring out the investment costs or investigating current system there is always need for life cycle thinking. Investments done without careful prestudying, can turn out much more expensive than it was expected in the beginning.

Increasing global competition and customer demands for better cost benefit ratio and strict emission limits demand that industry needs to continue its electrification. As a result, the importance of the life cycle costs and energy management of electrical heat tracing system is becoming even more topical. Master’s Thesis and the research is founded with literature, scientific articles, and world wide web documents. Literature review is supported with the professional surveys, calculation methods and cost-benefit analyses.

Theoretical background of the Master’s Thesis and the fundamentals of life cycle costing has been generated with the literature review and professional surveys. As a result, there wasn’t found a one single method or technical decision for minimizing the life cycle costs of the electrical heat tracing system, but a lot of prospects has been found. The biggest saving potential could be reached with multiple design philosophies and optimization tasks, with SCR-power controllers, supervision of the quality of mechanical installation and with long-time planning schedule. The best outcome is a sum of all of these, a combination of different methods and research work.

ALKUSANAT

Tämä diplomityö on tehty Planray Oy:n toimeksiantona helmikuun 2021 ja tammikuun 2022 välisenä aikana. Suuret kiitokset yritykselle mielenkiintoisen ja haastavan diplomityön mahdollistamisesta. Työ oli laaja ja monin tavoin opettavainen.

Kiitos diplomi-insinööri Toni Piiraiselle uusien näkökulmien esittämisestä diplomityöprojektin aikana.

Kiitos kaikille tutkimukseen osallistuneille avusta ja panoksestanne.

Kiitos LUT-yliopiston apulaisprofessori Jukka Lassilalle hyvistä neuvoista ja huomioista diplomityön aikana.

Kiitos läheisille ja kaikille minua kannustaneille tuestanne opintojeni aikana.

Turussa 31.01.2022 Santeri Vuorio

SISÄLLYSLUETTELO

Käytetyt merkinnät ja lyhenteet ... 7

1 Johdanto ... 13

1.1 Työn tavoitteet ja rajaus ... 17

1.2 Työn sisältö ... 18

1.3 Tutkimuskysymys, -menetelmät ja tutkimuksen toteutus ... 18

1.4 Aiemmat tutkimukset ... 21

1.5 Sähkösaattolämmitysten nykytila ja tulevaisuuden muutostekijät Pohjoismaisessa prosessiteollisuusympäristössä ... 23

2 Sähkösaattolämmitykset teollisuudessa ja niiden historiaa... 25

3 Lämmönsiirron perusteita sähkösaattolämmitysten näkökulmasta ... 28

3.1 Lämmönsiirtymistavat... 28

3.1.1 Johtuminen ... 28

3.1.2 Säteily ... 30

3.1.3 Konvektio ... 31

3.2 Lämpöhäviöt ... 32

3.2.1 Putkiston lämpöhäviöt ... 33

3.2.2 Säiliön lämpöhäviöt ... 34

3.3 Lämpöhäviöiden kompensointi ... 35

3.3.1 Lämpöeristeet ... 35

3.3.2 Saattolämmitykset ... 36

3.3.3 Höyrysaattolämmitykset ... 37

3.3.4 Sähkösaattolämmitykset ja niiden luokittelu ... 39

4 Sähkösaattolämmitysjärjestelmä... 41

4.1 Sähkösaattojärjestelmän infrastruktuuri ... 41

4.1.1 Sähkötilat ... 41

4.1.2 Sähkösaattolämmitysten syöttökeskukset ... 43

4.1.3 Kenttäkaapelointi ... 44

4.2 Sähkösaattojärjestelmän ohjaus- ja valvontamenetelmät ... 45

4.2.1 Lämpötila-anturit ... 45

4.2.2 Sähkömekaaniset säätimet ... 47

4.2.3 Elektroniset säätimet ... 47

4.2.4 Tehoelektroniset säätimet ... 48

4.2.5 Ohjaus- ja valvontajärjestelmät ... 49

4.3 Sähkösaattolämmityskaapeli- ja johdintyypit ... 51

4.3.1 Vakiovastus- eli sarjaresistanssisähkölämmityskaapelit ... 51

4.3.2 Rinnakkaisresistanssisähkölämmityskaapelit... 52

4.3.3 Itsesäätyvät sähkölämmityskaapelit... 53

4.3.4 Tehoa rajoittavat sähkölämmityskaapelit... 54

4.3.5 Skin effect -sähkösaattolämmitys ... 55

4.3.6 Impedanssisaattolämmitys ... 56

5 Investointihankkeiden elinkaarikustannuslaskelmat ... 58

5.1 Investointihankkeen elinkaarikustannuslaskelmat ... 58

5.1.1 Investointi käsitteenä ... 58

5.1.2 Teollisuuden sähkölaitteistoinvestoinnin erityispiirteet ... 59

5.1.3 Kokonaiskustannusajattelu Total Cost of Ownership... 60

5.1.4 Elinkaarikustannukset ... 62

5.1.5 Elinkaarikustannusten ja koko omistamisen kustannusten ero ... 63

5.1.6 Elinkaarikustannuslaskelman lähtötiedot ja herkkyysanalyysi ... 64

5.1.7 Elinkaarikustannusten laskentamenetelmät ja niiden käyttö... 65

6 Teollisuuden sähkösaattojärjestelmän kehittäminen elinkaarikustannusten näkökulmasta, case-tarkastelu ... 69

6.1 Toimeksianto ... 69

6.2 Tutkimusmetodit ja tutkimuksen toteutus ... 69

6.3 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän kirjallisuuskatsaus ... 70

6.4 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän kyselytutkimukset... 71

6.4.1 Ensimmäisen kyselytutkimuksen tulokset ... 75

6.4.2 Toisen kyselytutkimuksen tulokset ... 85

6.5 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaarikustannusten laskentametodit ... 91

6.5.1 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän tyypillinen elinkaari ... 91

6.5.2 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän laajuus... 92

6.5.3 Sähkötilana toimiva rakennus ... 94

6.5.4 Sähkökeskukset ... 95

6.5.5 Kenttäkaapelit ... 96

6.5.6 Sähkölämmityskaapelit ... 97

6.5.7 Arvio sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaaresta ja investoinnin pitoajasta ... 97

6.5.8 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaarikustannusten muodostuminen 98 6.5.9 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaarikustannusten määrittäminen . 101 6.6 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaareen ja elinkaarikustannuksiin vaikuttavia tekijöitä ... 105

6.6.1 Olosuhdetekijät ... 105

6.6.2 Tekniset ratkaisut ... 106

6.6.3 Yksikköhinnat ... 106

6.7 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaarikustannusten herkkyysanalyysi ... 107

6.8 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän tavanomaisimmat suunnittelu- ja asennusvirheet 108 6.9 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaarikustannusten minimointi erilaisilla ratkaisuilla ... 109

6.9.1 Kustannus-hyötyanalyysi ... 111

6.10 Kehityskustannusten arvioitu vaikutus elinkaarikustannuslaskelmaan ... 126

6.10.1 Ulkoilman lämpötilaan suhteutetun puolijohdetehonsäädön kustannussäästöpotentiaali jäätymisenestosovelluksissa, case-tarkastelu... 129

7 Pohdinta ... 137

7.1 Uusi tieteellinen tieto ... 137

7.2 Konkreettiset käytännön tulokset... 137

7.3 Yleistettävissä olevat tulokset ... 137

7.4 Tutkimuksen reliabiliteetin ja validiteetin pohdinta ... 138

7.5 Tutkimuksen merkittävyyden pohdinta... 139

7.6 Johtopäätökset... 139

7.7 Jatkotutkimusehdotukset ... 140

8 Yhteenveto ... 141

Lähteet ... 144

Liitteet ... 153 Liite I: Ensimmäisen kyselytutkimuksen saatekirje.

Liite II: Toisen kyselytutkimuksen saatekirje.

Liite III: Sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaarikustannuslaskelma.

Liite IV: Elinkaaren aikaisten häviöenergiakustannusten kustannussäästöanalyysi sulanapitosähkölämmityspiireille. Elinkaarikustannusvertailu ulkoilmatermostaattiohjauksen ja ulkoilman lämpötilaan suhteutetun puolijohdetehosäädön välillä.

Liite V: Kustannus-hyötyanalyysin periaatekaavio.

KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET muuttujat

A pinta-ala

C_dem purkukustannus C_dev kehityskustannus

1

Cdev tehostamiskerroin, kehityskustannuksilla saatavien laadullisten ja määrällisten hyötyjen vaikutus elinkaarikustannuksiin

C_e häviökustannus, ts. häviöenergiakustannus

C_eAT vuotuinen häviökustannus ulkoilmatermostaattiohjauksella

C_eSCR vuotuinen häviökustannus ulkoilman lämpötilaan suhteutetulla tehonsäädöllä C_i investointikustannus

C_int keskeytyskustannus C_m kunnossapitokustannus

C_{month_i} kuukausikohtainen häviökustannus C_n vuotuiset kustannukset

C_{tot_i} komponentin investointikustannus D₁ sisemmän eristyksen sisähalkaisija

𝐷₂ sisemmän eristyksen ulkohalkaisija (ulomman eristyksen sisähalkaisija, jos käytetään ulompaa eristystä)

𝐷₃ ulomman erityksen ulkohalkaisija metreinä, jos käytössä ulompi eriste

𝐸 varmuuskerroin

f geometrinen kerroin

h konvektiokerroin

ℎ_𝑖 putken ulkopinnan ja sisemmän eristekerroksen, mikäli se on käytössä, sisäpinnan ilman välinen lämmönsiirtymiskerroin

ℎ_𝑐𝑜 ulomman eristyskerroksen sisäpinnan ilman ja sääsuojan välinen lämmönsiirtymiskerroin, jos sääsuoja on käytössä

ℎ_𝑜 säänsuojan ja ympäröivän ilmakalvon välinen lämmönsiirtymiskerroin

i järjestysluku

𝐼_𝑛 1-vaiheisen johdonsuoja-automaatin nimellisvirta

k lämmönjohtavuus

𝑘_𝑖 eristyskerroksen lämmönjohtavuus keskimääräisessä lämpötilassa

𝐾₁ sisemmän eristyskerroksen lämmönjohtavuus keskimääräisessä lämpötilassa 𝐾₂ ulomman eristyskerroksen, jos sitä käytetään, lämmönjohtavuus

keskimääräisessä lämpötilassa 𝐿 putken pituus metreinä

LCC elinkaarikustannukset

𝐿𝐶𝐶_𝑒𝐴𝑇 häviökustannukset elinkaaren ajalta ulkoilmatermostaattiohjauksella

𝐿𝐶𝐶_{𝑒𝑆𝐶𝑅} häviökustannukset elinkaaren ajalta ulkoilman lämpötilaan suhteutetulla tehonsäädöllä

𝐿𝐶𝐶_𝑚𝑖𝑛 minimoidut elinkaarikustannukset

n ajan symboli

𝑛_𝑐 komponenttien kokonaismäärä

𝑛_𝑑𝑒𝑓 jäätymisenestoon tarkoitettujen sähkölämmityspiirien määrä

N pitoaika

N_month10 keskilämpötilaltaan < 10 °C kuukausien lukumäärä 𝑞"_𝑥 lämpövuo

q säteilyteho

𝑃_𝑑𝑒𝑓 jäätymisenestoon vaadittava kokonaisteho 𝑃_ℎ lämpöhäviöteho putken pituusyksikköä kohti 𝑄_{𝑐𝑜𝑛𝑣} lämpövirta

𝑄_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} kokonaislämpöhäviö 𝑄_𝑖𝑛𝑠 eristyksen lämpöhäviö 𝑄_{𝑠𝑙𝑎𝑏} peruslaatan lämpöhäviö 𝑄_{𝑠𝑢𝑝𝑡} tukirakenteiden lämpöhäviö 𝑄_{𝑚𝑎𝑛ℎ𝑜𝑙𝑒} huoltoluukun lämpöhäviö r laskentakorkokanta

𝑠 varmuuskerroin

t_Lifetime komponenttien käyttöikien painotettu keskiarvo, investoinnin pitoaika t_{w_i} komponentin painotettu käyttöikä

𝑇_𝑎 ympäristön alin suunnittelulämpötila 𝑇_{𝑚𝑒𝑎𝑛} pitkän aikavälin kuukauden keskilämpötila 𝑇_𝑝 toivottu ylläpidettävä lämpötila

𝑇_𝑠 pintalämpötila 𝑇_∞ fluidin lämpötila

𝑑𝑇

𝑑𝑥 lämpötilagradientti 𝑈_𝑛 nimellisjännite

𝑥 lämpöeristeen erityspaksuus symbolit

ΔT lämpötilaero kahden pisteen välillä 𝜀 pinnan emissiivisyys

σ Stefan-Boltzmannin vakio alaindeksit

𝑎 ympäristö (engl. ambient) 𝑐 komponentti (engl. component) 𝑐𝑜 lämmönsiirtymiskerroin

𝑐𝑜𝑛𝑣 konvektio (engl. convection) 𝑑𝑒𝑓 jäätymisenesto (engl. defrost) 𝑑𝑒𝑚 purku (engl. demolition) 𝑑𝑒𝑣 kehitys (engl. development) 𝑒 häviöenergia (engl. loss energy)

𝑒𝐴𝑇 häviökustannukset ulkoilmatermostaattiohjauksella (engl. cost of loss energy with ambient thermostat control method)

𝑒𝑆𝐶𝑅 häviökustannukset ulkoilman lämpötilaan suhteutetulla tehonsäädöllä (cost of loss energy with proportional ambient sensing control)

ℎ lämpöhäviö (engl. heat loss) 𝑖 investointi (engl. investment)

𝑖 lämmönjohtavuus

𝑖 lämmönsiirtymiskerroin

𝑖𝑛𝑠 eristys (engl. insulation) 𝑖𝑛𝑡 keskeytys (engl. interruption) 𝐿𝑖𝑓𝑒𝑡𝑖𝑚𝑒 käyttöikä, kestoaika (engl. lifetime) 𝑚 kunnossapito (engl. maintenance) 𝑚𝑎𝑛ℎ𝑜𝑙𝑒 säiliön huoltoluukku (engl. manhole) 𝑚𝑒𝑎𝑛 keskiarvo (engl. mean)

𝑚𝑖𝑛 minimoitu (engl. minimized) 𝑚𝑜𝑛𝑡ℎ_𝑖 kuukausikohtainen (engl. monthly) 𝑚𝑜𝑛𝑡ℎ10 keskilämpötilaltaan < 10 °C kuukaudet 𝑛 nimellinen (engl. nominal)

𝑛 vuotuinen (engl. yearly) 𝑜 lämmönsiirtymiskerroin 𝑝 ylläpidettävä lämpötila 𝑠 pinta (engl. sheath) 𝑠𝑙𝑎𝑏 peruslaatta (engl. slab) 𝑠𝑢𝑝𝑡 tukirakenne (engl. support) 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 kokonais (engl. total)

𝑡𝑜𝑡_𝑖 komponentin kokonaiskustannus (engl. total cost of component)

𝑤_𝑖 komponentin painotettu käyttöikä (engl. weighted lifetime of component)

1 sisempi eristys

2 ulompi eristys

3 ulompi eristys, jos käytössä

∞ fluidin lämpötila

lyhenteet

ABC Toimintoperusteinen kustannuslaskenta (engl. Activity-Based Costing)

ATEX Räjähdysvaarallinen tila (ransk. Appareils destinés à être utilisés en ATmosphères EXplosibles)

CAPEX Käyttöomaisuusinvestoinnit (engl. Capital Expedinture) CBA Kustannus-hyötyanalyysi (engl. Cost Benefit Analysis) DCS Hajautettu automaatiojärjestelmä (engl. Distributed Control

System)

EL.TR, ELT, EHT, ET Sähkösaattolämmitys (engl. Electric Heat Tracing) IoT Esineiden internet (engl. Internet of Things)

LCC Elinkaarikustannukset (engl. Life Cycle Costing) OPEX Käyttökustannukset (engl. Operational Expedinture)

PLC Ohjelmoitava logiikka (engl. Programmable Logic Controller)

PV Nykyarvo (engl. Present Value)

SCADA Valvomo-ohjelmisto (engl. Supervisory Control And Data Acquisition)

State-of-the-Art Viimeisintä tekniikkaa edustava, alan kehittyneintä tasoa oleva (engl. State-of-the-Art )

TCO Koko omistamisen kustannukset (engl. Total Cost of Ownership) Teollisuus 4.0 Neljäs teollinen vallankumous (engl. Industry 4.0)

TIC Kokonaisinvestointikustannukset (engl. Total Investment Cost) TOC Kokonaiskäyttökustannukset (engl. Total Operating Cost)

1 JOHDANTO

Eräs prosessiteollisuuden toiminnan kannalta merkittävimmistä osa-alueista ovat sähkösaattolämmitykset. Tässä diplomityössä sähkösaattolämmitysjärjestelmää tarkastellaan ja kehitetään elinkaarikustannusten ja niiden minimoimisen viitekehyksessä. Työn tarkoituksena on tunnistaa millaisista osa-alueista sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaarikustannukset muodostuvat ja miten niihin on mahdollista vaikuttaa. Oletusarvoisesti ei ole olemassa yhtä ainoaa tapaa, joka toisi suoria säästöjä vaan elinkaarikustannusten minimointi vaatii aina jonkin osa-alueen kustannusten kasvattamista. Tietyn osa-alueen kustannusten kasvattamisella voidaan olettaa olevan parantava vaikutus kyseisen osa-alueen suorituskykyyn ja kääntäen verrannollinen vaikutus jonkin toisen osa-alueen elinkaarikustannuksiin.

Sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaari alkaa suunnitteluvaiheesta ja päättyy käyttövaiheen jälkeen järjestelmän purkamiseen. Järjestelmän tekninen käyttöikä kuvaa sitä ajanjaksoa, jonka aikana järjestelmä täyttää sille asetetut teknisturvalliset vaatimukset. Tekninen käyttöikä alkaa kulua järjestelmän käyttöönoton jälkeen. Taloudellinen käyttöikä kuvaa sitä ajanjaksoa, jonka aikana järjestelmä täyttää sille asetetut teknistaloudelliset vaatimukset.

Lisa Ellram on jaotellut omistamisen kokonaiskustannukset kolmeen osaan, jotka ovat hankintaa edeltävät kustannukset, hankintaan liittyvät kustannukset ja hankinnan jälkeiset kustannukset. Yleisperiaatteena voidaan pitää sitä, että hankinnan valmistelusta aiheutuvat kustannukset tulisi huomioida hankinnan kokonaiskustannusten määrittelyssä. (Ellram 1993b) Tässä diplomityössä keskitytään sähkösaattolämmitysjärjestelmän hankinnan aikaisiin ja hankinnan jälkeisiin elinkaarikustannuksiin ja niiden osa-alueisiin. Hankintaa edeltävät ja jonkin tietyn organisaation sisäiset kustannukset on rajattu työn ulkopuolelle. Käytännössä tarkastelun kohteena ovat järjestelmän teknistaloudellisen käyttöiän aikaiset kustannukset sekä purkukustannukset, toisin sanoen työn viitekehyksenä toimivat elinkaarikustannukset. Koko omistamisen kustannukset ovat aina tapauskohtaiset ja siksi diplomityössä ei käsitellä määritelmän puitteissa suoraan niitä.

Ellramin mukaan omistamisen kokonaiskustannuslaskentaan voidaan soveltaa kahta erilaista lähestymistapaa tai niiden yhdistelmää. Lähestymistavat ovat rahapohjainen ja arvopohjainen lähestymistapa. (Ellram 1995) Tässä diplomityössä lähestymistapana toimii pääasiassa

rahapohjainen lähestymistapa, sillä elinkaarikustannukset määritellään rahallisena arvona.

Arvopohjainen lähestymistapa on käytössä työn loppuosassa elinkaarikustannusten minimointitapoja arvioivassa ja vertailevassa kustannus-hyötyanalyysissä. Ellramin mukaan eräs yritys on säästänyt 5 M$, 12 kuukauden aikajaksolla vertailemalla toimittajien ja toimitusten elinkaaren aikaisia kokonaiskustannuksia, joiden perusteella on hankittu kokonaiskustannuksiltaan edullisempia järjestelmiä hankintahinnaltaan edullisimpien järjestelmien sijaan. (Ellram 1993a) Tästä huolimatta diplomityössä ei ole rajattu hankintahinnaltaan edullisempia järjestelmiä ja materiaaleja pois, sillä investoinnin pitoajan ollessa lyhyt saattavat nämä olla elinkaarikustannuksiltaan edullisimpia koska kalliimpien ratkaisujen hyödyt eivät välttämättä realisoidu lyhyellä tarkastelujaksolla.

Yleisellä tasolla teollisuuden sähkösaattolämmitysjärjestelmä koostuu sähkötilasta, sähkökeskuksista, tehonsyöttö- ja ohjauskaapeleista sekä sähkölämmityskaapeleista.

Sähkösaattolämmityksillä joko sulanapidetään, ylläpidetään tai nostetaan vaadittua prosessilämpötilaa. Sähkölämmityspiiri muodostuu tyypillisesti lämmitettävään kohteeseen kiinnitettävästä sähkölämmityskaapelista ja lämpötilaa mittaavasta anturista.

Käyttötarkoituksen mukaan voidaan valita myös itsesäätyvä sähkölämmityskaapeli, jolloin erillistä lämpötila-anturia ei välttämättä tarvita. Tyypillisiä sähkösaatettavia kohteita ovat prosessiputkistot, säiliöt ja instrumentit. Sähkösaatot luokitellaan niiltä vaaditun toimintavarmuuden ja käyttötarkoituksen mukaisesti, tämän luokituksen perusteella valitaan sopiva tekninen ratkaisu. Sähkösaaton vikaantuminen voi aiheuttaa pahimmassa tapauksessa henkilö- ja sähköturvallisuusriskin ja prosessihäiriön, josta seurauksena voi olla laiterikko ja tuotannon keskeytys. Tuotannon keskeytyksestä aiheutunut haitta saattaa pahimmillaan olla useista sadoista tuhansista miljooniin euroihin. Kuva 1.1 esittää sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaarta ja diplomityön rajausta.

Kuva 1.1 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaari ja työn rajaus.

Sähkösaattoperäisten tuotannon keskeytysten taustalla saattaa olla monia tekijöitä ja syitä, joita ovat muun muassa puutteellinen dokumentaatio, suunnitteluvirhe, ikääntynyt järjestelmä tai sen osa, puutteellinen kunnossapito ja elinkaarenhallinta, asennusvirhe, saaton tapaturmainen rikkoontuminen, puutteellinen tai epäselvä toimintapa ja sähkösaattojen ohjaus- ja valvontajärjestelmä. On myös mahdollista, että prosessin normaalin toiminnan aikana sähkölämmityskaapelit ovat pitkäänkin virrattomina ja poissa käytössä. Tällöin vikaantunut sähkölämmityskaapeli havaitaan vasta esimerkiksi prosessin häiriötilan ja huoltoseisakin jälkeisen tuotannon ylösajon aikana. Yhdeksi merkittäväksi syyksi voidaan lukea myös elinkaarinäkökulman vähäisyys ja alkuinvestoinnilla saavutettavien pitkän aikavälin säästöjen aliarviointi tai tunnistamattomuus. Loppukäyttäjät usein myös tiedostavat nämä haasteet mutta eivät välttämättä hahmota niistä aiheutuvia pitkän aikavälin kustannuksia, jotka muodostuvat muun muassa energia- ja keskeytyskustannuksista. Prosessiteollisuusympäristö luo myös omat haasteensa, sillä alkuinvestoinnin ja asennuksen jälkeen sähkösaattojärjestelmää on haastavaa tai jopa mahdotonta peruskorjata, käynnissä olevan prosessin ja tuotannon häiriintymättä, ellei lämmitettävää putkistoa muuteta ja sen ohella tehdä muutoksia myös sähkösaattolämmitykseen.

Sähkösaattojärjestelmän ja -lämmityskaapelien elinikään ja elinkaarikustannuksiin on mahdollista vaikuttaa riittävällä alkuinvestoinnilla, suunnitteluvaiheessa tehtävillä valinnoilla sekä oikein ajoitetulla huollolla ja kunnossapidolla.

Tässä diplomityössä tutkitaan teollisuuden sähkösaattolämmitysjärjestelmän kehittämistarpeita ja -mahdollisuuksia elinkaarikustannusten näkökulmasta. Diplomityö on toteutettu suomalaisen sähkösaattolämmitysten asiantuntijayritys Planray Oy:n toimeksiantona. Työssä keskitytään järjestelmäkokonaisuuteen, jota kuvat 1.2 ja 1.3 havainnollistavat yleisellä tasolla.

Kuva 1.2 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän järjestelmäkaavio. (Thorat et al. 2014)

Kuva 1.3 Sähkösaattolämmitysjärjestelmän toimintaympäristö ja diplomityön rajaus.

Kuvassa 1.3 esiintyvät termit S.A.L.K.O. ja D.I.S.C.C. ovat akronyymejä, ts.

kirjainlyhenteitä, jotka kuvaavat pääpiirteissään sähkösaattolämmitysjärjestelmän osa-alueita ja komponentteja; suunnittelua, asennusta, lämpötila-antureita, kaapeleita ja

ohjausjärjestelmää. Kaksi ensimmäistä kirjainta kuvaavat immateriaalisia osioita ja kolme viimeistä materiaalisia osioita, jotka muodostavat säätö- ja systeemitekniikasta tutun funktioajattelun.

1.1 Työn tavoitteet ja rajaus

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää millaisilla teknisillä ratkaisuilla suomalaisen prosessiteollisuuden sähkösaattojärjestelmäkokonaisuuden elinkaarikustannuksia (LCC) pystyttäisiin minimoimaan teknisten reunaehtojen ja turvallisuuden puitteissa.

Elinkaarikustannukset muodostuvat investointi-, häviö-, keskeytys-, kunnossapito- ja purkukustannuksista. Työssä keskitytään kokonaisuuteen ja yksittäisiin kustannuskomponentteihin paneudutaan vain sillä tarkkuudella, joka on välttämätöntä.

Työn tavoitteena on selvittää, että miten sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaari muodostuu, mistä elinkaarikustannukset muodostuvat, miten kustannukset voidaan laskea, mitkä ulkoiset tekijät vaikuttavat elinkaarikustannuksiin ja miten ulkoisten tekijöiden vaikutus elinkaarikustannuksiin tarkastellaan. Tämän jälkeen kehitetään kohdeympäristöön soveltuvia teknisiä ratkaisuja ja vaihtoehtoja kokonaiselinkaarikustannusten minimoimiseksi.

Työ on rajattu suomalaisen prosessiteollisuusympäristön sähkösaattojärjestelmiin ja tällä toimialalla tyypillisesti käytössä olevien teknisten ratkaisujen selvittämiseen, joilla on mahdollista saavuttaa pitkän aikavälin säästöjä.

Tässä diplomityössä sähkösaattojärjestelmällä tarkoitetaan sähkötilana toimivaa rakennusta, sähkökeskuksia, tehonsyöttö- ja ohjauskaapeleita sekä sähkölämmityskaapeleita. Työssä käsitellään järjestelmää kokonaisuutena. Yksittäisten komponenttien kuten sähkösaattolämmityskaapeleiden elinkaareen- sekä elinkaarikustannuksiin ei paneuduta yksityiskohtaisesti.

1.2 Työn sisältö

Ensimmäisessä luvussa käydään läpi johdanto, työn tavoitteet ja rajaus sekä tutkimuskysymykset ja -menetelmät. Lisäksi käydään läpi aiemmin tehdyt tutkimukset ja esitellään toimialan nykytila ja tulevaisuus sekä muutostekijät, kuten ilmastonmuutokseen liittyvä hiilidioksidipäästöjen vähennystavoite ja energiatehokkuus.

Työn toinen luku kertoo sähkösaattojen historiasta ja virstanpylväistä 1900-luvun alusta aina tähän päivään asti. Luku sisältää myös pohdintaa tulevaisuuden haasteista ja mahdollisuuksista.

Työn kolmannessa luvussa perehdytään yleisellä tasolla termodynamiikkaan ja sen tyypillisimpiin sovelluksiin, jotka sähkösaattojen osalta liittyvät putken ja säiliön lämpöhäviöihin sekä niiden kompensointiin.

Neljännessä luvussa läpikäydään mistä komponenteista sähkösaattojärjestelmä muodostuu.

Viidennen luvun alkupuolella kuvataan investointia käsitteenä, teollisuuden sähkölaitteiston erityispiirteitä, läpikäydään erilaisia elinkaarikustannuslaskentamenetelmiä, sähkösaattojärjestelmän elinkaaren ja käsitteiden LCC ja TCO muodostumista sekä niiden eroa.

Työn kuudennessa luvussa käydään läpi casetutkimus ja määritellään sähkösaattojärjestelmän elinkaari, elinkaarikustannukset sekä vertaillaan erilaisten teknisten ratkaisujen, olosuhdetekijöiden, yksikköhintojen ja kustannusten minimointitapojen vaikutusta elinkaarikustannuksiin.

Viimeisissä luvuissa esitetään työn johtopäätökset, jatkotutkimusehdotukset ja yhteenveto.

1.3 Tutkimuskysymys, -menetelmät ja tutkimuksen toteutus

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää suomalaisen prosessiteollisuuden käyttämien sähkösaattojärjestelmäkokonaisuuksien nykytilaa ja elinkaarikustannusten muodostumista.

Tutkimustulosten perusteella kehitetään kohdeympäristöön soveltuvia ratkaisuja ja vaihtoehtoja kokonaiselinkaarikustannusten minimoimiseksi.

Diplomityön päätutkimuskysymykseksi muodostui:

- Millä teknisillä ratkaisuilla prosessiteollisuuden sähkösaattolämmitysjärjestelmän elinkaarikustannuksia pystytään minimoimaan ja miten erilaiset parametrit, kuten tekniset ratkaisut, olosuhdetekijät ja yksikköhinnat vaikuttavat elinkaarikustannuksiin?

Työn päähypoteesi on, että on olemassa kokonaisvaltaisia tapoja, joilla teollisuuden sähkösaattojärjestelmän pitkän aikavälin elinkaarikustannukset on mahdollista puolittaa nykyisestä.

Kuva 1.4 esittää tutkimuksen etenemistä lohkokaavion muodossa.

Kuva 1.4 Tutkimuksen rakenne lohkokaaviona.

Tässä diplomityössä tutkimusmenetelmänä on käytetty kvalitatiivista eli laadullista kyselytutkimusta. Kyselytutkimus tukee kirjallisuuskatsausta, sillä toimialan nykytilasta on saatavilla vain niukasti julkista tietoa, joten sopivimmaksi tiedonkeruutavaksi osoittautuivat rajatulle suomalaisessa prosessiteollisuusympäristössä toimivalle asiantuntija- ja loppukäyttäjäjoukolle suunnatut kyselytutkimukset. Tutkimuksen mittavälineinä on käytetty kyselylomakkeita. Tulosten analysoinnissa on hyödynnetty teemoittelua ja tyypittelyä.

Elinkaarikustannusten laskentamenetelmäksi on valittu nykyarvomenetelmä, sillä sen avulla saatavat laskentatulokset ovat konkreettisia ja laskentaparametrit ovat läpinäkyvästi herkkyystarkasteltavissa. Elinkaarikustannuslaskennan sovelluksista Total Cost of Ownership (TCO) ja Life Cycle Costing (LCC) tähän diplomityöhön on valittu jälkimmäinen, sillä LCC on menetelmänä tarkempi, vähemmän lähtötietoja ja epävarmuutta sisältävä laskentamenetelmä, joka soveltuu paremmin elinkaarikustannusten perusosien määrittämiseen ja laskennan tulokset ovat paremmin yleistettävissä.

LCC:ssä kustannusten arvioinnin näkökulma on enemmän ulkopuolinen kuin TCO:ssa. TCO on epävarmempi ja vaikeammin yleistettävissä oleva, sillä se muodostuu osaltaan muun muassa investoinnin loppukäyttäjän hallinnollisista kustannuksista, henkilöstökustannuksista, koulutuksesta ja investointia edeltävistä kustannuksista. Voidaan todeta, että TCO on tietyn loppukäyttäjän tapauskohtainen tarkastelu ja LCC on yleistettävissä oleva ja monikäyttöinen työkalu. Molemmissa sovelluksissa on mahdollista käyttää samaa laskentamenetelmää.

Molemmat elinkaarilaskennan sovellukset sisältävät suuren määrän oletuksia, epävarmuutta, ennustuksia ja harhan lähteitä mutta LCC vähemmän kuin TCO ja koska kyse on lähinnä tarkastelun näkökulmasta niin sovellusten välinen rajapinta on vain veteen piirretty viiva.

Kirjallisuuskatsauksen, kyselytutkimusten ja elinkaarikustannuslaskennan herkkyystarkastelun tulosten perusteella on muodostettu 10 erilaista metodia; teknistä ratkaisua ja suunnittelufilosofiaa, joiden avulla on mahdollista vaikuttaa elinkaarikustannuksiin.

Ratkaisujen vaikutuksia arvioidessa on hyödynnetty laadullista kustannus-hyötyanalyysia (Cost Benefit Analysis, CBA). Tekniset ratkaisut ovat lisäkustannuksia, jotka tässä diplomityössä määritellään elinkaaren aikaisiksi kehityskustannuksiksi. Analyysissa on arvioitu synteesin perusteella kehitettyjen teknisten ratkaisujen ja suunnittelufilosofioiden vaikutusta järjestelmään, toimintamalleihin ja odotettaviin hyötyihin. Tämän jälkeen

yksittäisen minimointimetodin laadullista hyötyä on esimerkinomaisesti kvantifioitu eli analysoitu määrällisten hyötyjen näkökulmasta.

Päätutkimuskysymyksen tueksi muodostettiin apututkimuskysymykset, jotka kohdistettiin suoraan sähkösaattojärjestelmän elinkaareen, kustannuksiin ja kehittämiskohteisiin. Lisäksi muodostettiin apututkimuskysymykset, jotka kohdistettiin järjestelmän epäsuoriin elinkaarikustannuksiin ja kehittämiskohteisiin, jotka tässä viitekehyksessä ovat sähkötilat.

Apututkimuskysymykset ja niiden pohjalta tehdyt johtopäätökset läpikäydään luvussa 6.

Erilaisten teknisten ratkaisujen vertailu toteutetaan edellä esitetyllä laadullisella kustannushyötyanalyysilla. Tarkasteluun valitut tekniset ratkaisut pohjautuvat tekijän omiin pohdintoihin ja kyselytutkimuksista esiin nousseisiin vastauksiin sekä kirjallisuuskatsaukseen.

Analyysin tarkoituksena on tunnistaa suurimpien säästöpotentiaalien omaavien teknisten ratkaisujen hyödyt. Erilaisten teknisten ratkaisujen tavoitteena on elinkaarikustannusten minimointi pitkällä aikavälillä teknisten reunaehtojen puitteissa. Työn lopussa laadullisia kustannus-hyötyanalyysin tuloksia kvantifioidaan esimerkinomaisesti.

1.4 Aiemmat tutkimukset

Kirjallisuuskatsauksen perusteella vastaavia aiempia tutkimuksia tai tieteellisiä artikkeleita ei löytynyt. Aihetta koskevia ja sitä sivuavia julkaisuja haettiin tietokannoista, suomalaisten ja ulkomaisten yliopistojen julkaisuarkistoista sekä onlinehakukoneen avulla tuloksetta. Yleisellä tasolla sähkösaattolämmityksistä löytyi artikkeleita ja opinnäytetöitä mutta niissä viitekehyksenä eivät olleet elinkaarikustannukset. Lisäksi ne olivat rajaukseltaan kapeammat ja keskittyivät tiettyyn järjestelmän osaan, tiettyyn kustannusten osa-alueeseen tai case- ympäristöön. Tämän diplomityön aihetta lähimpää sivuavia artikkeleja löydettiin kirjallisuuskatsauksen tuloksena 3 kpl. Artikkelit ovat kuitenkin tätä diplomityötä suppeampia, eikä niissä ole huomioitu riittävällä tarkkuudella muun muassa keskeytys-, kunnossapito- ja purkukustannuksia. Erilaisia sähkösaattojärjestelmän kustannusten minimointitapoja ja teknisiä ratkaisuja ovat artikkeleissaan käsitelleet ja vertailleet muun muassa Brooks et al., Malone ja Verleyen.

Brooks et al. esittävät artikkelissaan ulkoilman lämpötilan mukaan säädettävällä sähkösaattolämmitysjärjestelmällä (Proportional Ambient Sensing Control, PASC)

saavutettavia kustannussäästöjä 20 vuoden ajalta, verrattuna perinteisen ulkoilma-anturiohjatun järjestelmän energiakustannuksiin. (Brooks et al. 2000)

Malone on esittänyt erilaisia investointikustannusten optimointitapoja sähkölämmityspiirimäärän, sähkölämmityspiirien ohjaustavan valinnan, syöttöpisteiden sijoituksen ja nopeampien asennustekniikoiden muodossa turvallisuuden näkökulmasta.

(Malone 2018)

Verleyenin mukaan on olemassa 4 tapaa sähkösaattolämmitysjärjestelmän käyttökustannusten vähentämiseksi, jotka painottuvat uuden järjestelmän suunnitteluvaiheeseen. Kirjoituksessaan Verleyen esittelee käsitteet TIC (Total Investment Cost), kokonaisinvestointikustannukset ja TOC (Total Operating Cost), kokonaiskäyttökustannukset. Verleyenin mukaan sähkösaattojen loppukäyttäjät painottavat enemmän merkittävää kokonaisinvestointikustannusten vähentämistä, vaikka kokonaiskäyttökustannukset ovat painoarvoltaan niitä suuremmat.

Kokonaiskäyttökustannusten vähentämiseksi Verleyen kehottaa käyttämään luotettavia ja tunnustettuja sähkösaattolämmitysjärjestelmien valmistajia, optimoimaan lämpöeristeitä, tunnistamaan eri ohjaustavoilla saavutettavissa olevat energiansäästömahdollisuudet ja käyttämään sähkölämmityspiirien reaaliaikaista valvontaa ennustamattomien tuotannon alasajojen ja tuotannon menestysten riskien vähentämiseksi. (Verleyen 2016)

Tätä taustatutkimusta vasten tällaiselle laajemmalle tutkielmalle on tilausta sekä tiedeyhteisön keskuudessa että yritysmaailman tarpeissa. Diplomityön voidaan olettaa tuovan uutta tieteellistä tietoa ja kokoavan yhteen useita sähkösaattoaiheisia löydöksiä.

Syyksi sille miksi vastaavia tutkimuksia ei ole aiemmin tehty oletetaan olevan se, että sähkösaattolämmitykset ovat oma erikoistoimialansa ja ne mielletään usein vain pakolliseksi ja näkymättömäksi tuotantoprosessin tukijärjestelmäksi, johon liittyvä yleistietous on vähäistä.

Verrattaessa prosessilaitteiden, teräsrakenteiden ja putkistojen mekaanisia hankintakustannuksia, ovat sähkösaattolämmitykset hankintahinnaltaan prosentuaalisesti hyvin pieniä kustannuseriä. Nämä saattavat olla syitä sille miksi elinkaarikustannusnäkökulma on jäänyt aiemmin kovin vähälle huomiolla tai puuttumaan kokonaan. Tätä pohdintaa tukee myös kirjallisuudesta löytyvä teollisuusprojektin investointikustannusrakenne, jonka Kärri & Uusi- Rauva ovat esittäneet teoksessaan Investointiprojektin kustannussuunnittelun perusteet, kts.

kuva 1.5.

Kuva 1.5 Sellutehdasprojektin investointikustannusrakenne. (Kärri & Uusi-Rauva 2003)

Kuvassa 1.5 esitetty sähköistyksen osuus koko tehdasprojektista on 6 %. Tästä 6 % osuudesta sähkösaattolämmitysten voidaan arvioida olevan enintään 1 %, joten kokonaiskuvassa

kyseessä on vain pieni kustannus. Pienestä kustannusosuudestaan huolimatta

toimittamattoman tai epäluotettavan sähkösaattolämmitysjärjestelmän seuraukset voivat olla fataalit ja johtaa tuotannon alasajoon sekä muihin taloudellisiin, ympäristö- tai

henkilöturvallisuusriskeihin.

1.5 Sähkösaattolämmitysten nykytila ja tulevaisuuden muutostekijät Pohjoismaisessa prosessiteollisuusympäristössä

Suomalaisessa tai muualla Pohjoismaisessa teollisuudessa käytössä olevista sähkösaattolämmitysten nykytilasta ei ole julkista tietoa saatavilla, joten järkevimmäksi tavaksi tämän tiedon saamiseksi osoittautui kyselytutkimus, jossa alan toimijoilta kysyttiin sähkösaattojärjestelmän nykytilaa. Julkisen tiedon puutteesta huolimatta voidaan tehdä oletus, että Suomen ja mahdollisesti Pohjoismaiden suurin yksittäinen sähkösaattolämmitysten keskittymä sijaitsee Kilpilahden teollisuusalueella Porvoossa, joka on Pohjoismaiden suurin öljynjalostuksen ja petrokemian klusteri.

Tulevaisuuden muutostekijöiksi on nähtävissä ilmastonmuutos ja sen myötä jatkuvasti tiukentuvat päästörajoitukset, jotka tulevat vauhdittamaan teollisuuden sähköistymistä entisestään. Suomessa ja Pohjoismaissa on tällä hetkellä käynnissä useita teollisuuden hankkeita, joiden tavoitteena on vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja hiilidioksidipäästöjä. Lisäksi teollisuuden kansainvälisen kilpailun jatkuvasti koventuessa on

pyrittävä kehittämään kustannustehokkaita ja kestävän kehityksen mukaisia tapoja kilpailukyvyn ylläpitämiseksi ja sen parantamiseksi. Yhtenä energiatehokkaana keinona päästöjen vähentämiseen on sähkösaattolämmitysten käyttö höyryn tuottamisen ja höyrysaattolämmitysten sijasta sekä sähkösaattolämmitysten häviökustannusten minimointi ja järjestelmäkokonaisuuden optimointi, johon tämä diplomityö pyrkii. Käynnissä olevia Pohjoismaisia hankkeita ovat muun muassa Neste Oyj:n E-fuel-hanke, jossa tavoitellaan nykyistä korkeampaa hyötysuhdetta sähköpolttoaineiden tuotannolle (VTT 2021) ja SSAB:n, LKAB:n ja Vattenfallin HYBRIT-hanke, jonka tarkoituksena on fossiilivapaa teräksen tuotanto (HYBRIT 2021). Eräs suunnitteilla oleva hanke on muun muassa projekti, jonka tarkoituksena on valmistaa muovituotteita kemiallisesti kierrätystä raaka-aineesta Stenungsundissa Ruotsissa.

(ICN 2021)

2 SÄHKÖSAATTOLÄMMITYKSET TEOLLISUUDESSA JA NIIDEN HISTORIAA

Sähkösaattolämmityksellä tarkoitetaan sähköjärjestelmää, jonka tarkoituksena on kompensoida lämmitettävän kohteen lämpöhäviö ympäröivään ilmastoon nähden. Teollisuudessa lämmitettäviä kohteita ovat muun muassa putkistot, säiliöt, instrumentit ja muut prosessilaitteet.

Sähkösaattojärjestelmän tärkein osa on sähkölämmityskaapeli, joka kiinnitetään lämmitettävän kohteen pintaan joko suoraan tai johtavan väliaineen välityksellä. Lämmönsiirto kaapelista kohteeseen tapahtuu johtumalla.

Sähkösaattolämmityksiä käyttäviä teollisuuden aloja ovat muun muassa öljy-, kaasu-, kemian- , elintarvike- ja lääketeollisuus. Globaalisti suurin sähkösaattojen markkina-alue on Pohjois- Amerikka, johtuen pohjoisesta sijainnista ja suurista teollisuuslaitoksistaan. (businesswire 2020) Saattolämmitysten historia alkaa 1900-luvun alusta, jolloin teollisuuden pääasiallinen saattolämmitysmuoto oli höyrysaatto. Höyryä oli saatavilla useiden ydinprosessien sivutuotteena, jolloin se oli lämmitysenergiamuotona kyseisille teollisuuslaitoksille ilmainen, sillä sitä ei tarvinnut ostaa tai erikseen tuottaa. Höyrysaattojen haasteina olivat kuitenkin tarkan lämpötilan säädön puute, kunnossapitokustannukset sekä energiankulutus, sillä höyryjärjestelmä itsessään tuottaa enemmän lämpöä kuin olisi tarpeen lämpöhäviön kompensoinnin kannalta. (Electrical Review 2020) Toisen maailmansodan jälkeen öljyteollisuuden alan kasvaessa tarvittiin tehokkaampia lämmitysmuotoja höyrysaattojen rinnalle. (National Institutes of Health 2015)

Ensimmäinen sähkölämmityskaapeli kehitettiin 1930-luvulla, tuohon aikaan kaapeli oli lyijypinnoitettu. (Malone & Davenport 1996) Alkuvuosina sähkölämmityskaapeleiden käytön haasteina olivat liian korkeat pintalämpötilat, jotka aiheuttivat kaapeleiden ylikuumenemisia ja tulipaloja. Kenttälaitteiden liitännät, tiivisteet ja kytkentäpisteet olivat myös tuohon aikaan vielä heikkoja. (Heating and Process 2016) Ensimmäiset sähkölämmityskaapelit olivat hyvin alkeellisia, lämpötilan säätöä varten ei ollut ohjainlaitetta tai ohjausjärjestelmää eikä kenttälaitteita ollut valmistettu asianmukaisista materiaaleista. Mineraalieristeiset sähkölämmityskaapelit ja rinnakkaisresistanssikaapelit kehitettiin 1950-luvulla. Tuolloin sähkölämmityskaapelit olivat jo asianmukaisia ja niitä varten oli kehitetty lämpötilan säätöön soveltuvat termostaatit, jotka tosin olivat vielä alkeelliset ja muista laitteista

sähkösaattokäyttöön muunnellut, joten lämpötilan säätö ja valvontakaan eivät olleet kovin tarkkoja. (Electrical Review 2020)

1950-luvulla sähkölämmityskaapelit kehittyivät ja vähitellen niistä tuli potentiaalinen vaihtoehto höyrysaatolle erityisesti pitkissä putkilinjoissa, sillä höyrysaaton pituus oli rajallinen, vain 60 m sekä kohteissa, joissa höyry oli epäkäytännöllinen lämmitysmuoto tai sitä ei ollut saatavilla. (Malone & Davenport 1996) Mineraalieristeisten lämmityskaapeleiden haasteena oli kuitenkin puuterimaisen, eristeenä toimivan magnesiumoksidin hygroskooppisuus ja sen aiheuttama kosteuden imeytyminen kaapelin sisään, joka johti herkästi kaapelin rikkoutumiseen. (Electrical Review 2020)

1950-luvun loppupuolella kustannusero höyrysaaton ja sähkösaaton välillä alkoi kasvamaan dramaattisesti pitkien öljyn, asfaltin ja erilaisten vahojen siirtoon käytettävien putkilinjojen myötä. Sähkösaatto osoittautui höyrysaattoon nähden lähes huoltovapaaksi, järjestelmä tarvitsi vähemmän komponentteja ja lämmitystehoa pystyttiin ohjauksen avulla käyttämään tarpeen mukaan. (Bilbro & Leaviness 1969) 1960-luvulla sähkösaattolämmitys saavutti potentiaalisen kilpailuaseman höyrysaattolämmitykselle, lämpötilan säätö- ja valvontatekniikan edelleen kehittyessä tarkemmaksi. (Heating and Process 2016)

Yksi merkittävimmistä virstanpylväistä saavutettiin, kun itsesäätyvät muovipinnoitteiset sähkölämmityskaapelit tulivat markkinoille 1970-luvun alkupuolelle. (Electrical Review 2020) Niiden toiminta perustuu sähkönjohtimien väliaineena olevan, hienojakoista hiiltä sisältävän johtavan polymeerin sähkön johtavuuden muutokseen. Sähkönjohtavuuden muutos perustuu lämpötilaan ja sen aiheuttamaan johtavien hiilipartikkelien ketjujen muutokseen, joita kylmä supistaa ja tekee väliaineesta sähköä johtavan, lämmin ja kuuma taas laajentaa tekee väliaineesta eristeen. (RSC 1998) Sähkölämmityspiirien ohjaus ja säätö perustui kuitenkin tuohon aikaan pääasiassa kapillaaritermostaattiin ja kontaktoriohjaukseen. 1980-luvulla sähkösaattolämmitysten suunnittelun tueksi alettiin kehittämään ja julkaisemaan tietokonepohjaisia suunnitteluohjelmistoja. 1990-luvulla laajojen sähkösaattojärjestelmien hallitsemiseksi ja kunnonvalvontaan kehitettiin tietokonepohjainen ohjaus- ja valvontajärjestelmä. (Candelier et al. 2015) Vähitellen kunnonvalvonnan piiriin otettiin mukaan kuorma- ja vuotovirrat ja seuraava askel oli selainpohjainen valvontaohjelmisto tehtaan omaan verkkoon. 2000-luvulla langaton teknologia alkoi tehdä tuloaan toimialalle muun muassa ohjausjärjestelmän muodossa. (Adam et al. 2001)

Tulevaisuudessa ja jo tälläkin hetkellä sähkösaattojärjestelmän ohjaus- ja valvonta tulee perustumaan entistä enemmän ennakoivan kunnossapidon tukena toimivaan IoT-teknologiaan, online data-analytiikkaan sekä koneoppimiseen ja tekoälyyn. Valvontajärjestelmä voidaan opettaa tunnistamaan lämmityskaapelin normaali käyttäytyminen ja muutosten perusteella voidaan ennakoida esimerkiksi tulevaa uusintainvestointitarvetta tai paikantaa huonosti lämmitettävään kohteeseen kiinnitetty sähkölämmityskaapeli. (Piirainen 2021)

Sähkösaattolämmitys on ollut teollisuuden lämmitysmuotona käytössä 1930-luvulta lähtien ja jo lähes 100 vuotta käytössä ollut tekniikka jatkaa edelleen kehitystään. Tulevina vuosikymmeninä tekniikan voidaan olettaa kehittyvän kohti IoT teknologiaa ja puolijohdetehonsäätöä. (Piirainen 2021)

Suomeen ensimmäiset sähkösaattolämmitykset saapuivat teollistumisen myötä 1950-luvulla ja vielä 1970-luvulla asennettujen sähkölämmityskaapeleiden tiedetään olevan edelleen toimintakuntoisia. Tekniikka on perustoiminnoltaan erityisesti vakiovastuskaapeleilla hyvin yksinkertainen ja oikein suunniteltuna sekä asennettuna toimintavarma, joten niiden teknisen käyttöiän ennuste on korkea.

3 LÄMMÖNSIIRRON PERUSTEITA

SÄHKÖSAATTOLÄMMITYSTEN NÄKÖKULMASTA

Kolmannessa luvussa käsitellään teoreettisesti ja tiivistetysti termodynamiikkaa ja lämmönsiirron perusteita sähkösaattolämmitysten näkökulmasta. Lämpöhäviöiden muodostuminen on perimmäinen syy ja fysikaalinen ilmiö sille, että pelkkä lämpöeristys ei usein riitä ja putkistoja, säiliöitä sekä muita ulkoilmassa olevia prosessilaitteita on tarve pitää sulana tai niiden lämpötilaa on tarve ylläpitää sähkösaattolämmityksillä lämpöhäviöiden kompensoimiseksi.

3.1 Lämmönsiirtymistavat

Lämmönsiirtyminen fysikaalisena ilmiönä vaatii lämpötilaeron kahden pisteen välillä. Lämpö itsessään määritellään lämpötilaeron aiheuttamana energian siirtymisenä.

Lämmönsiirtomekanismeja on kolme, jotka ovat johtuminen, säteily ja konvektio.

Johtuminen ja konvektio vaativat väliaineen, kun taas säteily ei tarvitse väliainetta. Johtuminen perustuu lämmönsiirtymiseen kiinteässä tai nestemäisessä aineessa, säteily on sähkömagneettisten aaltojen säteilyä pois lämpöä johtavasta pinnasta ja konvektio on lämpöä johtavan pinnan ja liikkuvan väliaineen välistä lämmönsiirtoa. (Kaseb & El-Hariry 2021) Kaikkia näitä lämmönsiirtymisilmiöitä esiintyy prosessiteollisuusympäristössä, jossa putkistot ja muut prosessilaitteet ovat alttiina niitä ympäröiville ilmastollisille muutoksille.

Sähkösaattolämmitysten näkökulmasta lämmönsiirto lämmitettävästä kohteesta ympäristöön nähdään haitallisena, sillä tarkoituksena on putkistot ja laitteet pysyisivät niille suunnitellussa lämpötilassa kaikissa tilanteissa.

3.1.1 Johtuminen

Johtumisessa lämpöenergia siirtyy molekyylien törmäysten vuoksi kineettisessä muodossa yhtenevää lämpöä johtavaa ainetta itseään pitkin tai lämpöä johtavien kappaleiden suoran kosketuksen välityksellä. Kuvassa 3.1 on esitetty johtumisen periaate, jossa lämpö siirtyy lämpötilasta 𝑇₁ lämpötilaan 𝑇₂. (Kaseb & El-Hariry 2021) Lämmön johtuessa itse väliaine ei siirry.

Kuva 3.1. Lämmönsiirto johtumalla.(Kaseb & El-Hariry 2021)

Lämpövuo määritellään Fourierin yhtälöllä:

𝑞"_𝑥 = −𝑘^𝑑𝑇

𝑑𝑥 (3.1)

jossa

𝑞"_𝑥 on lämpövuo (W/𝑚²)

k on lämmönjohtavuus (W/m °C)

𝑑𝑇

𝑑𝑥 on lämpötilagradientti eli lämpötilaero matkaa kohti

Yhtälöstä havaitaan, että siirtyvän lämpöenergian määrään vaikuttavat lämpötilaeron suuruus, aineen ominaisuudet ja fyysiset mitat. Lämpövuo on luonnostaan positiivinen alenevaan lämpötilaeroon ja sen seurauksena yhtälössä lämmönjohtavuus esitetään miinusmerkkisenä.

(Kaseb & El-Hariry 2021)

Sähkösaattolämmitysten tarpeeseen ja rakenteeseen vaikuttavaa, lämpötilaerosta johtuvaa johtumisilmiötä tapahtuu esimerkiksi lämmitettävä putken ja sitä kylmemmän putkikannakkeen välillä. Putkikannake siis jäähdyttää sen varaan kiinnitettyä lämpimämpää putkea.

Sähkölämmityskaapeloinnin avulla tällaiset lämmön epäjatkuvuuskohdat huomioidaan siten, että putkeen asennetaan ylimääräinen sähkölämmityskaapelilenkki kannakkeen kohdalle kompensoimaan lisääntynyttä lämpöhäviötä.

3.1.2 Säteily

Säteilyssä lämpöenergia siirtyy sähkömagneettisina aaltoina. Lämpösäteilyllä tarkoitetaan sitä osaa sähkömagneettisesta säteilystä, jonka aallonpituus on alueella 0,1–100 μm.

Säteilylämmönsiirto ei vaadi erillistä väliainetta. (Kaseb & El-Hariry 2021) Kuvassa 3.2 on esitetty sähkömagneettisen säteilyn spektri ja siitä havaitaan, että lämpösäteily sijoittuu näkyvän valon ja mikroaaltojen väliselle aallonpituudelle. (Çengel 2008, s. 655)

Kuva 3.2 Sähkömagneettisen säteilyn spektri. (Çengel 2008)

Kuumemmasta kappaleesta säteilevän lämpöenergian kohdatessa toisen, itseään kylmemmän kappaleen, osa lämpöenergiasta absorboituu ja muuttuu lämmöksi. Lämpösäteilyn voimakkuus riippuu säteilevän pinnan emissiivisyydestä, joka taas riippuu pinnan ominaisuuksista kuten väristä, pinnan suunnasta ja pinnan absoluuttisesta lämpötilasta. Toisin kuin johtumisessa ja konvektiossa, lämpösäteilyssä lämpö siirtyy kahden kiinteän kappaleen välillä vaikka niiden välissä olisi kylmempää väliainetta, esimerkiksi ilmaa. Kuva 3.3 havainnollistaa ilmiötä.

(Çengel 2008, s. 657)

Kuva 3.3 Käytännön esimerkki säteilylämmönsiirrosta. (Çengel 2008)

Säteilylämmönsiirron perusyhtälö kahden harmaan pinnan välillä määritellään yhtälöllä:

q = σεfA(𝚫T) (3.2)

jossa

q on säteilyteho

σ on Stefan-Boltzmannin vakio = 5,67*10⁻⁸ W/𝑚²∗ 𝐾⁴ 𝜀 on pinnan emissiivisyys

A on pinta-ala

f on geometrinen kerroin, joka riippuu pintojen suhteesta toisiinsa

ΔT on lämpötilaero kahden pisteen välillä

Yhtälöstä havaitaan, että säteilevän lämpöenergian määrään vaikuttavat pinnan emissiivisyys, joka, ilmaisee että kuinka lähellä ideaalista mustaa kappaletta lämpösäteilevä pinta on, lämmönsiirtopinta-ala, geometrinen kerroin sekä pintojen välinen lämpötilaero. (Kaseb & El- Hariry 2021)

Sähkösaattolämmitysten tarpeeseen ja rakenteeseen vaikuttavaa lämpösäteilyä esiintyy käytännössä kaikissa putkistoissa ja laitteissa, jotka sijaitsevat itseään kylmemmässä ympäristössä. Sähkölämmityskaapeliasennusten jälkeen lämmitettävän kohteen eristämisellä ja pellittämisellä haitallinen säteilylämmönsiirto saadaan kompensoitua.

3.1.3 Konvektio

Konvektio lämmönsiirtomuotona tarkoittaa nesteen tai kaasun eli fluidin virtaamisesta aiheutuvaa lämpövirtausta kiinteästä aineesta fluidiin tai päinvastoin. Molekyylien välinen lämmönsiirto tapahtuu johtumalla mutta ilmiötä ohjaa liikkuvan fluidin mukana siirtyvä lämpöenergia. (Kaseb & El-Hariry 2021) Kuva 3.4 visualisoi konvektiolämmönsiirtoa.

Kuva 3.4 Konvektion havainnekuva. (Çengel 2008)

Konvektion muotoja ovat vapaa konvektio ja pakotettu konvektio, kts kuvat 3.5 ja 3.6.

Vapaassa konvektiossa lämpösiirto tapahtuu luonnollisesti kuumemmasta pinnasta esimerkiksi viileämpään ilmaan. Pakotetussa konvektiossa ilmiö on muuten sama mutta viileämmän ilman virtausta lisätään pakottamalla, puhaltamalla viileämpää ilmaa kuumempaan kohteeseen.

(Çengel 2008, 529)

Kuva 3.5 Vapaa konvektio. (Çengel 2008) Kuva 3.6 Pakotettu konvektio. (Çengel 2008)

Konvektiossa siirtyvän lämmön määrä on kätevin esittää Newtonin lain avulla, yhtälöllä:

𝑄_{𝑐𝑜𝑛𝑣} = ℎ𝐴(𝑇_𝑠− 𝑇_∞) (3.3) jossa

𝑄_{𝑐𝑜𝑛𝑣} on lämpövirta (W)

h on konvektiokerroin (W/𝑚²∗ °𝐶) 𝑇_𝑠 on pintalämpötila (°𝐶)

𝑇_∞ on fluidin lämpötila (°𝐶)

Yhtälöstä havaitaan, että siirtyvän lämpöenergian määrään vaikuttavat konvektiokerroin, joka ilmaisee lämmönsiirron tehokkuuden pinnan ja fluidin välillä, lämmönsiirtopinta-ala sekä pinnan ja fluidin välinen lämpötilaero. (Çengel 2008, s. 527)

Sähkösaattolämmitysten tarpeeseen ja rakenteeseen vaikuttavaa konvektiota, sekä vapaata että pakotettua esiintyy käytännössä kaikissa putkistoissa ja laitteissa, joissa siirretään tai säilytetään absoluuttista nollapistettä lämpimämpää ainetta. Tätä lämmönsiirtymisen ilmiötä kompensoidaan sähkölämmityskaapeleilla ja lämpöeristeillä sekä suojapellittämisellä, joiden avulla haitallinen konvektiolämmönsiirto saadaan kompensoitua.

3.2 Lämpöhäviöt

Lämmönsiirtoa kappaleesta ympäristöön tapahtuu edellä esitetyillä fysikaalisilla tavoilla ja niiden yhdistelmillä. Käytännössä tätä useiden erilaisten kylmäsiltojen ja epäjatkuvuuskohtien kautta tapahtuvaa haitallista lämmönsiirtoa on vaikea estää, sillä putkistot ja säiliöt sijaitsevat

hyvin usein ulkotiloissa, ne on rakenteiltaan valmistettava riittävän kestäviksi ja kiinnitettävä joko kannakkein tai perustuksin. Lämmitettävän kohteen kokonaislämpöhäviöön vaikuttavat useat muuttujat, kuten kohteen koko, muoto, eristevahvuus, saattolämpötila ja ympäristön lämpötila. Aivan eksaktin lämpöhäviön määrittäminen on tästä johtuen kompleksinen toimenpide. Tarkastellaan seuraavaksi tarkemmin lämpöhäviöiden muodostumista putkiston ja säiliön tapauksissa.

Laajimmillaan yhtälöt ovat hyvin kompleksisia eivätkä useimmat lämmityssovellukset, eritysesti säiliöt, tarvitse näin tarkkaa lämpöhäviön tarkkuutta. Usein laajojen yhtälöiden käyttämiseen vaadittavia lähtötietoja ei myös ole saatavilla. Yhtälöt esitellään ensin laajimmillaan ja sen jälkeen yksinkertaistetussa muodossa.

3.2.1 Putkiston lämpöhäviöt

Eristetyn putken lämpöhäviön yleinen kaava sisältää laajimmillaan kaikki olemassa olevat lämpövirtauksen yhteiset resistanssit ja se esitetään muodossa:

(3.4) jossa

𝑃_ℎ on lämpötehohäviö putken pituusyksikköä kohti watteina metrille (W/m) 𝑇_𝑝 on toivottu ylläpidettävä lämpötila Celsius-asteina (°C)

𝑇_𝑎 on ympäristön alin suunnittelulämpötila Celsius-asteina (°C) 𝐷₁ on sisemmän eristyksen sisähalkaisija metreinä (m)

𝐷₂ on sisemmän eristyksen ulkohalkaisija (m) (ulomman eristyksen sisähalkaisija, jos käytetään ulompaa eristystä)

𝐷₃ on ulomman erityksen ulkohalkaisija metreinä, jos käytössä ulompi eriste (m) 𝐾₁ on sisemmän eristyskerroksen lämmönjohtavuus keskimääräisessä lämpötilassa

(W/ m °C)

𝐾₂ on ulomman eristyskerroksen, jos sitä käytetään, lämmönjohtavuus keskimääräisessä lämpötilassa (W/m °C)

ℎ_𝑖 on putken ulkopinnan ja sisemmän eristekerroksen, mikäli se on käytössä, sisäpinnan ilman välinen lämmönsiirtymiskerroin

ℎ_𝑐𝑜 on ulomman eristyskerroksen sisäpinnan ilman ja sääsuojan välinen lämmönsiirtymiskerroin, jos sääsuoja on käytössä (W/𝑚² °C)

ℎ_𝑜 on säänsuojan ja ympäröivän ilmakalvon välinen lämmönsiirtymiskerroin (W/𝑚²

°C). Tämä termi vaihtelee tyypillisesti välillä 3 W/𝑚² °C – 284 W/𝑚² °C alhaisen lämpötilan (alle 50 °C) sovelluksissa. (SFS-EN 60079-30-2:2017)

Yhtälö on perusmuodossaan hyvin laaja ja se voidaan sieventää yksikertaisempaan muotoon:

(3.5) jossa

𝐿 on putken pituus metreinä (m) (SFS-EN 60079-30-2:2017)

Putken kokonaishäviötehoa nostavat lämpötilaeron lisäksi siihen kiinnitetyt toimilaitteet, kuten venttiilit, instrumentit, laipat, suodattimet, pumput ja kannakkeet. Toimilaitteiden

lämpöhäviöiden kompensointi huomioidaan asennusvaiheessa

sähkölämmityskaapeliylimääränä valmistajien ohjeiden mukaisesti. Yhdestä toimilaitteesta saattaa aiheutua useamman putkimetrin verran lämpöhäviötä. Toinen kokonaishäviötehoa nostava elementti on erityisesti rannikko- ja tasankoalueilla esiintyvä tuuli, joka kiihdyttää lämmön haihtumista ja siten kylmentää tuulelle altistunutta lämmityskohdetta normaalia enemmän. Tuulen vaikutus pystytään huomioimaan häviöteholaskennassa erillisellä turvakertoimella.

3.2.2 Säiliön lämpöhäviöt

Säiliöiden lämpöhäviöt muodostuvat neljästä komponentista, jotka ovat eristyksen lämpöhäviö, peruslaatan lämpöhäviö, tukirakenteiden lämpöhäviöt ja huoltoluukun lämpöhäviöt. Säiliön kokonaislämpöhäviö on näiden osalämpöhäviöiden summa.

𝑄_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} = 𝑄_𝑖𝑛𝑠+ 𝑄_{𝑠𝑙𝑎𝑏} + 𝑄_{𝑠𝑢𝑝𝑡}+ 𝑄_{𝑚𝑎𝑛ℎ𝑜𝑙𝑒} (3.6) jossa

𝑄_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} on kokonaislämpöhäviö (W) 𝑄_𝑖𝑛𝑠 on eristyksen lämpöhäviö (W) 𝑄_{𝑠𝑙𝑎𝑏} on peruslaatan lämpöhäviö (W) 𝑄_{𝑠𝑢𝑝𝑡} on tukirakenteiden lämpöhäviö (W) 𝑄_{𝑚𝑎𝑛ℎ𝑜𝑙𝑒} on huoltoluukun lämpöhäviö (W)

Säiliön lämpöhäviöt muodostuvat siis hyvin monista muuttujista, sillä säiliöiden geometriat ja nesteet eroavat suuresti toisistaan. Siksi tiukan teoreettisen menetelmän käyttö on hyvin kompleksista ja vaatii solmupisteanalyysiä sekä matriisilaskentaa. Useimmat säiliön

lämmityssovellukset eivät kuitenkaan tarvitse näin suurta tarkkuutta. (SFS-EN 60079-30- 2:2017)

Yksinkertaistetumpi yhtälö eristetyn säiliön lämpöhäviölle esitetään muodossa:

(3.7) jossa

𝑘_𝑖 eristyskerroksen lämmönjohtavuus keskimääräisessä lämpötilassa (W/m°C) 𝑥 lämpöeristeen erityspaksuus (m)

𝐸 on varmuuskerroin (normaalisti 0,8)

𝑠 on varmuuskerroin 1,2–1,5 (1,2 sisätiloissa – 1,5 ulkona)

Laskenta on suoraviivainen ja vaadittavat lähtötiedot ovat operointilämpötila, ympäristön matalin lämpötila, eristeaineen eristyspaksuus, eristeen lämmönjohtavuus ja ympäristöolosuhteet. (VärmeKabel Teknik 2021)

3.3 Lämpöhäviöiden kompensointi

3.3.1 Lämpöeristeet

Putkistojen ja säiliöiden säteilylämpöhäviöitä on mahdollista kompensoida mekaanisesti.

Tyypillinen tapa on eristää kohde, jonka lämpöhäviöitä on tarkoitus kompensoida. Eriste määritellään pienen lämmönjohtavuuden omaavana materiaalina, jolla saadaan aikaan haluttu lämmönvastus. Teollisuuden lämpöeristys käsittää koko laajuudessaan päällysteellä suojatun eristeen ja näiden kiinnityksessä vaadittavat tukirakenteet ja asennustarvikkeet. Päällyste suojaa eristettä ulkopuolisia rasituksia, esimerkiksi kosteutta ja mekaanisia rasituksia vastaan. (PSK 3703 2021) Sähkösaattolämmitysten näkökulmasta eristeen suojaaminen pellillä on hyvä myös siksi, että peltiin on mahdollista kiinnittää sähkösaaton tunnuskilpi ja varoitustarra.

Tavallisimpia lämpöeristyksiä ovat taloudellinen lämpöeristys, suojaeristys, jäähtymissuojaeristys ja prosessitekninen lämpöeristys. (PSK 3703 2021) Tässä kappaleessa pääpainona on prosessitekninen lämpöeristys, sillä tämän eristystekniikan tarkoituksena on eristämiskohteen sisällön säilyttäminen prosessin vaatimissa rajoissa. Hyvällä teknisellä eristyksellä saavutettavia hyötyjä ovat muun muassa energiakustannusten pienentyminen, termisten jännitysten väheneminen ja työturvallisuuden parantuminen. Käytetyimpiä

eristemateriaaleja ovat mineraalivilla, kivivilla, lasivilla ja lasikuitu. (Motiva 2016) Eristemateriaalin valintaan ja eristyspaksuuden mitoitukseen vaikuttavat muun muassa eristykseltä vaadittu tehokkuustaso, ympäristöolosuhteet ja eristämiskohteen sisällön lämpötila.

Mitoitus tehdään PSK-standardissa esitettyjen mitoitustaulukoiden mukaisesti. (PSK 3703 2021) Prosessiteollisuuden investointiprojekteissa eristysmitoituksen tekee pääsääntöisesti prosessi- tai putkistosuunnittelija. Eristyspaksuus esitetään putki- ja laitedokumenteissa, josta sähkösuunnittelija saa lähtötiedon sähkösaattolämmityksen mitoitukseen.

3.3.2 Saattolämmitykset

Vaikka eritys onkin avainasemassa lämpöhäviöiden kompensoinnissa niin kaikkia lämpöhäviöitä sillä ei saada poistettua, vaan menetetty lämpö on kompensoitava joko höyrysaattolämmityksellä tai sähkösaattolämmityskaapeleilla. Lämpöhäviöiden aiheuttamaa jäähtymistä ei voida eristyksen avulla estää vaan ainoastaan hidastaa, varsinainen jäähtymisen ja jäätymisen estäminen on toteutettava saattolämmityksellä.

Saattolämmitysten pääasiallinen tarkoitus on vaaditun prosessilämpötilan ylläpito ja putkistojen sulana pitäminen. Prosessin kokonaisenergiatehokkuuden näkökulmasta sähkösaattolämmityksiä tulisi välttää sillä ne ovat energiaintensiivisiä ja tuovat lisäinvestointi- ja käyttökustannuksia. Sopivalla putkiston ja prosessin suunnittelulla erityisesti sulanapitoon tarvittavia saattolämmityksiä on mahdollista välttää. Putkien jäätymistä voidaan välttää kaivamalla ne routarajan alapuolelle tai sijoittamalla ne kulkemaan lämpimien sisätilojen kautta ja turhia jäätymiselle alttiita vesijärjestelmiä voidaan välttää esimerkiksi käyttämällä ilmaa jäähdytykseen veden sijaan. Putkistot voitaisiin myös suunnitella niin, että niissä kulkee jatkuva virtaus tai niin, että ne olisivat tyhjennettävissä helposti. Käytännössä tämä ei aina toteudu ja siksi tarvitaan saattolämmityksiä. Yleisimpiä saattolämmitysmuotoja ovat sähkö- ja höyrysaatot. (Motiva 2016) Kuva 3.7 esittää esimerkinomaisesti tyypillistä, saattolämmitysjärjestelmää toimiakseen tarvitsevaa prosessiteollisuusympäristöä ja sen infrastruktuuria.

Kuva 3.7 Saattolämmitysjärjestelmän kenttälaitteiden tyypillinen asennusympäristö prosessiteollisuuslaitoksessa.

(Stehling & Alanis 2010)

Seuraavissa kappaleissa käsitellään yleisellä tasolla molemmat saattolämmitysmuodot; höyry ja sähkö, jonka jälkeen seuraavassa luvussa paneudutaan yksikohtaisesti sähkösaattolämmityksiin. Sähkö- ja höyrysaattojen lisäksi on olemassa myös kuumaöljylämmitysjärjestelmiä, joissa lämmönsiirron väliaineena toimii mineraalipohjainen tai synteettinen, nimensä mukaisesti kuuma öljy. Niihin ei kuitenkaan paneuduta tässä diplomityössä.

3.3.3 Höyrysaattolämmitykset

Höyrysaattolämmityksiä käytetään pääasiassa sellaisissa teollisuuslaitoksissa, joissa sitä on saatavilla ylijäämänä tai prosessin sivutuotteena. Tyypillinen toteutustapa on lämmitettävään putkilinjaan kiinnitettävä yksi tai useampi ulkoinen höyryputki, lämmönsiirron parantamiseksi saattolämmitys voidaan sementoida eli höyryputkien ympärille voidaan asentaa lämmönsiirtomassaa. Höyrysaattolämmityksen etuna on nopea prosessin lämmitys esimerkiksi alasajon jälkeen. Toisaalta lämmönsiirto tapahtuu hallitsemattomasti eikä lämpötilaa voida säätää tai rajoittaa. Hinnaltaan höyrysaattojärjestelmä on sähkösaattoa edullisempi, mutta sen asennus- ja huoltokustannukset ovat korkeammat, sillä vikapaikkoja on useita; muun muassa lauhteenpoistimien toimintahäiriöt ja höyryputkien vuodot. (Motiva 2016) Kuvissa 3.8 ja 3.9 havainnollistetaan höyrysaattolämmitysjärjestelmää ja sen komponentteja.

Kuva 3.8 Höyrysaattojärjestelmän periaatekaavio. (Inst Tools 2021)

Kuva 3.9 Höyrysaatto käytännössä. (Sölken 2008)

Kuva 3.8 esittää höyrysaattojärjestelmäkaaviota ja höyrysaattojärjestelmän laajuuteen vaikuttavia teknisiä reunaehtoja, joita ovat höyryn paine, höyryputkiston halkaisija ja höyryputkiston korkeuserot. Kuva 3.9 havainnollistaa höyrysaatettua putkiston venttiiliä käytännössä.

Pitkien putkilinjojen lämmitys höyrysaatolla on haastavaa lämpötilan säädön takia, sillä lämpö syötetään höyryputkistoon kiinteästä lähteestä ja ainoa säätötapa on höyryn virtauksen säätö.

Höyry itsessään on suora seuraus kondenssista, jolloin virtauksen rajoituksen seurauksena höyryputken alku- ja loppupäiden syntyy lämpötilaero. Lämpötilaeroa voidaan pienentää oikein sijoitettujen lauhteenpoistimien avulla, jotka ovat kuitenkin kiinteitä komponentteja eikä niiden määrää tai sijaintia pysty dynaamisesti säätämään päivä- tai tuntikohtaisen lämmitystarpeen